И. Кривченко

    В прошлом выпуске мы начали знакомиться с FPSLIC — новым семейством СБИС класса SOC ("Система-На-Кристалле"), которое разработано корпорацией Atmel. Типовая микросхема FPSLIC содержит на площади кремниевого кристалла массив FPGA объёмом до 40000 эквивалентных логических вентилей, скоростное процессорное ядро AVR RISC с производительностью свыше 30 MIPS, а также набор фиксированных периферийных узлов. Основными областями применения FPSLIC являются: портативная и носимая аппаратура, телекоммуникации, а также системы промышленного контроля и управления.

    Реализация идеи SOC является сейчас одним из приоритетных направлений электроники. Многие крупные фирмы (Lucent Technologies, LSI Logic, Triscend и др.) предпринимают активные усилия именно в этом секторе. Так, например, фирма Triscend анонсировала во второй половине 1999 года новый интересный кристалл класса SOC — TL505. TL505 содержит стандартное ядро 8032, работающее на частоте 40 МГц (10 MIPS), 16 Кбайт SRAM, около 6500 логических вентилей ASIC, внутреннюю шину с пропускной способностью до 40 Мбайт/с и прочие узлы системного уровня. Но здесь пользователю предлагается заранее, до начала производства, выбрать необходимые ему дополнительные периферийные узлы из предлагаемого Triscend стандартного набора. Лишь после этого будет выпущен конечный кристалл SOC с фиксированной архитектурой, близкий по идеологии к СБИС класса ASIC.

    Идея, задуманная и реализованная корпорацией Atmel, пока является наиболее удачной. За разработку FPSLIC руководители направлений SOC и FPGA — Мартин Мейсон и Джоел Розенберг — были удостоены приза США "За лучший проект 1999 года". Микросхемы FPSLIC хороши именно тем, что они позволяют динамически реконфигурировать весь (или часть) массива FPGA непосредственно во время работы системы. Можно, например, заранее заготовить несколько проектов, записать их во внешнюю энергонезависимую память, а затем перегружать в FPSLIC по мере необходимости. Например, сотовый телефон, который автоматически, "на лету", подстраивается под стандарт той страны, в которую ввозится (W-CDMA, GSM1900/1800/900 или другой). Другим характерным примером являются персональные органайзеры (PDA), которые обычно работают в нескольких, заранее определённых режимах. Здесь один и тот же кристалл FPSLIC может обеспечить перьевой ввод данных с экрана, поддержку инфракрасного канала связи IRDA и все функции стандартного модема.

    Основная масса публикаций о FPSLIC появилась в западной периодической литературе по электронике в октябре 1999 года, когда было официально объявлено о выпуске микросхемы нового типа. Тогда же корпорация Atmel провела информационно-технический семинар, посвящённый FPSLIC. После семинара участники задали целый ряд дополнительных вопросов по внутренней структуре и применению новых микросхем. Скорее всего, у читателей, познакомившихся с первой частью обзора по FPSLIC, тоже имеется ряд дополнительных вопросов. Именно поэтому вторая часть излагаемого материала по FPSLIC представлена в виде обобщённого диалога "вопрос – ответ". За основу взята дискуссия на семинаре Atmel.

    Вопрос. Какие микросхемы FPSLIC семейства AT94K доступны в настоящее время?

    Ответ. Первой появится микросхема AT94K40. Ориентировочное время выпуска — II квартал 2000 года. Программное обеспечение планируется к выпуску немного раньше, чем сами кристаллы. Конкретных дат корпорация Atmel не называет.

    Вопрос. Планируется ли свободное распространение программного обеспечения поддержки для FPSLIC так же, как это сделано для AVR Studio и AVRASM?

    Ответ. Корпорация Аtmel не планирует распространять инструментальные средства программного обеспечения System Designer бесплатно. Исключением не являются и официальные дистрибьюторы. Вместе с тем, объявленная стоимость пакета System Designer является достаточно приемлемой для различных групп пользователей — от рядовых разработчиков до крупных производственных компаний. Atmel предлагает набор профессиональных средств разработки — синтезатор, симулятор HDL, операционную среду совместной разработки, AVR Studio, инструментальные средства для FPGA и утилиты для генерации файла bitstream — за $495 (годовая лицензия). То есть, каждый год разработчик может приобретать новую версию программного пакета за $495. Альтернативой является приобретение полной версии за $2500 с последующим бесплатным ежегодным обновлением. Тем не менее, корпорация Atmel заинтересована в скорейшем продвижении на мировой рынок изделий FPSLIC. Для клиентов, которые предлагают реальные и интересные проекты, возможны специальные условия взаимодействия в приобретении программного обеспечения.

    Вопрос. Когда будут доступны для дистрибьюторов образцы микросхем FPSLIC семейства AT94K? Имеется ли какая-нибудь техническая документация?

    Ответ. Образцы должны появиться на 2–3 недели раньше начала выпуска серийной продукции, то есть во II квартале 2000 года. Так называемые “инженерные” образцы в России практически недоступны, хотя они действительно могут быть выпущены на 1–2 месяца раньше. Официальную информацию (Summary Data Sheet, AT94K Data Sheet и FPSLIC Brochure) можно найти на сайте www.atmel.com/products (раздел FPSLIC) или на последних оригинальных CD Atmel (версии 11’99 и 02’2000), которые распространяются в России через официальных дистрибьюторов.

    Вопрос. Какие синтезаторы будут использоваться в инструментальных средствах поддержки разработок для FPSLIC семейства AT94K?

    Ответ. В качестве базового инструмента синтеза будет использоваться Exemplar, причём данный синтезатор был оптимизирован для работы с FPGA семейства AT40K. Программный пакет Exemplar, симулятор Model Sim и средства совместной верификации будут поставляться как стандартная часть System Designer. Однако фактический выбор действительно оптимального инструмента синтеза определяется конечной задачей, диктуется проектом. Поэтому будет обеспечена возможность реального использования других синтезаторов — Everest, Synplicity и Synopsys.

    Вопрос. Может ли блок памяти программ AVR-ядра в FPSLIC модифицироваться “на лету”, если он выполнен как статическая память SRAM?

    Ответ. Да, программный код AVR может изменяться “на лету”. Очевидно, что такая возможность модификации кода представляет интерес для некоторых задач. Но, в большинстве случаев, разработчики защищают память программ микроконтроллерного ядра от перезаписи. Так что, в общем виде, ответ — “да”, но в каждом конкретном случае разработчик должен подходить к этому очень осторожно, чтобы не нарушить работу всей системы в целом.

    Вопрос. В каких корпусах предполагается выпускать микросхемы FPSLIC?

    Ответ. Общая политика корпорации Atmel — использовать для микросхем FPSLIC такие же типы корпусов, как и для стандартных микросхем FPGA, что обеспечит их повыводную совместимость. На текущий момент объявлены следующие типы корпусов — PLCC84, TQFP144, TQPF208 и BGA352.

    Вопрос. Будет ли доступен AT94K10?

    Ответ. Да, самый младший представитель нового семейства — AT94K10 — будет доступен; ориентировочное время выхода на рынок — вторая половина 2000 года. По технологическим причинам первыми создаются более сложные изделия (AT94K40), а затем выпускаются младшие версии. Все микросхемы FPSLIC в пределах одного семейства будут повыводно совместимы друг с другом, так что впоследствии не составит труда перенести уже работающий проект на младший (а, следовательно, и более дешёвый) кристалл. В перспективе Atmel планирует выпускать микросхемы tinyFPSLIC с массивом FPGA не более 5000 эквивалентных логических вентилей в корпусе PLCC44.

    Вопрос. Будет ли AT94K40 с ядром FPGA на 3,3 В работать с элементами ввода/вывода, рассчитанными на рабочее напряжение 5 В?

    Ответ. Да. Как и новые 3,3-В FPGA серии AL, микросхемы FPSLIC будут работать с 5-В линиями ввода/вывода.

    Вопрос. Планируется ли разместить на кристалле FPSLIC внутренний преобразовватель напряжения с 5 В на 3,3 В для того, чтобы новые микросхемы с ядром FPGA на 3,3 В могли без проблем вставляться в панельки, рассчитанные на 5-В устройства?

    Ответ. Нет. И микросхемы FPGA серии AL, и микросхемы FPSLIC долж-ны питаться от источника напряжения 3,3 В. Никакого понижающего внутреннего преобразователя не имеется. Тем не менее, микросхемы будут способны работать с логическими сигналами уровня 5 В.

    Вопрос. Какое AVR-ядро используется в FPSLIC?

    Ответ. Mega161, версия кристалла 2.50. Это самая последняя модификация, разработанная в исследовательском центре Atmel в Норвегии, которая содержит незначительные модификации периферийных устройств.

    Вопрос. Аппаратный умножитель будет таким же, как и для стандартного изделия AVR ATmega161? Каков размер этого умножителя?

    Ответ. Функционально аппаратный умножитель такой же, но производительность его будет намного больше, так как технология SRAM позволит ядру AVR работать на гораздо более высоких тактовых частотах. Это будет 8x8 умножитель, дающий 16-разрядный результат.

    Вопрос. Если основная область применения FPSLIC определяется фирмой Atmel как носимые приложения, то почему на одном кристалле вместе с AVR и FPGA не была интегрирована и конфигурационная память?

    Ответ. Основная причина, по которой в настоящий момент на кристалл FPSLIC не была помещена конфигурационная память — технологические ограничения. Потребовалось бы применить и технологию SRAM, и технологию энергонезависимой памяти. Это сделало бы кристалл FPSLIC намного больше по площади и, следовательно, значительно замедлило бы его работу. А главной целью при проектировании FPSLIC было достижение максимальной скорости работы AVR и высокой производительно-сти системы на кристалле. В дальнейшем такое технологическое решение возможно, и, скорее всего, микросхемы FPSLIC, выпускаемые в корпусах типа BGA, будут содержать конфигуратор.

    Вопрос. Будет ли внутренний RC-генератор использоваться для синхронизации FPGA?

    Ответ. Для массива FPGA в FPSLIC используются два сигнала тактирования. Оба генерируются ядром AVR, причём выбор источника сигналов тактирования программируется. Это может быть системная частота AVR, выход одного из таймеров/счётчиков общего назначения или сторожевого таймера, выход системы реального времени. Основное тактирование AVR предполагает применение внешнего кварца или входного тактирующего сигнала. Системная частота AVR программируется. Кроме того, для работы системы реального времени может использоваться дополнительный “часовой” кварц 32768 Гц. Так что система синхронизации внутри устройства FPSLIC является достаточно гибкой, и вряд ли есть необходимость в использовании RC-генератора для тактирования.

    Вопрос. Будут ли реализованы в FPSLIC различные стандартные IP-ядра, например CAN-интерфейс, АЦП и ЦАП, аналоговые узлы, контроллеры сетевых протоколов, модемы и тому подобное?

    Ответ. Потенциально, да, если для этого будет обеспечен спрос на массовый тираж подобных изделий. Пока что стандартный IP AVR плюс периферийные устройства общего назначения и блок программируемой логики внутри FPSLIC позволяют реализовать различные IP на этой стандартизованной базе. Если рынок потребует массового выпуска FPSLIC с встроенным CAN-контроллером, то Atmel немедленно приступит к серийному выпуску таких изделий. Но в настоящее время основные усилия сосредоточены на получении стандартных, универсальных кристаллов, а будущее покажет, какие производные FPSLIC действительно будут нужны. Скорее всего, первым появится семейство FPSLIC с микропроцессорным ядром ARM. Что же касается аналоговых или аналого/цифровых компонентов, то пока здесь есть определённые технологические проблемы, так как это связано с внедрением BiCMOS-технологии. Параллельно с этим Atmel будет уделять большое внимание созданию и развитию библиотеки стандартных IP в виде готовых макросов, которые затем могут размещаться на кристалле FPSLIC.

    Вопрос. Имеется ли PCI-макрос, доступный для имплементации в FPGA?

    Ответ. Да, уже имеется макрос для реализации контроллера шины PCI на 33 МГц. К сожалению, ядро PCI всё ещё нуждается в некоторой доработке, поэтому макрос будет, скорее всего, доступен одновременно с микросхемами серии AT94K.

    Вопрос. Планируется ли использовать в микросхемах FPSLIC различные DSP-ядра вместо стандартных AVR и ARM?

    Ответ. Не имеется никакой причины для негативного ответа. Любое ядро, которое технологически доступно Atmel, может быть реализовано на кристалле FPSLIC. Всё определяется спросом, который формируется рынком конечных приложений.

    Вопрос. Можно ли разрабатывать проекты для FPSLIC раздельно в смысле программных и аппаратных средств поддержки? Может ли разработчик в одиночку довести до конца проект на FPSLIC?

    Ответ. Проект на FPSLIC действительно может быть разработан раздельно специалистами по аппаратной и программной части, а отдельные компоненты могут быть затем соединены на конечной стадии проекта в целом. Однако, в смысле наличия возможности совместной верификации проекта в целом, конечно же, следует контролировать весь процесс разработки проекта одному специалисту — системотехнику.

    Вопрос. Может ли набор разработчика для FPGA (STK40) использоваться как недорогой набор инструментальных средств для экспериментов и с FPGA, и с FPSLIC?

    Ответ. В основном, да. STK40 — идеальная платформа для начальной работы с FPGA и, в конечном счёте, для микросхем FPSLIC. Однако, чтобы полноценно использовать STK40 с FPSLIC, необходима дополнительная переходная плата. Но, в любом случае, STK40 с дочерней платой, скорее всего, действительно будет наиболее дешёвым вариантом для начала работы с FPSLIC.

    Вопрос. Почему не планируется выпуск аппаратного внутрисхемного эмулятора для FPSLIC?
О

    твет. Анализ проблем, возникавших в ходе совместной разработки аппаратной и программной частей различных проектов, показал, что многие производители, особенно крупные OEM-компании, успешно использовали программные средства совместной разработки и верификации проектов без применения аппаратной внутрисхемной эмуляции. Основываясь на этих выводах, Atmel сосредоточил усилия на том, чтобы пока обойтись без дорогих и сложных внутрисхемных эмуляторов для семейства FPSLIC. Несомненно, существует множество проблем, которые нельзя решить так же быстро и эффективно, как с применением аппаратного эмулятора. Не подлежит сомнению и тот факт, что нико-гда не удаётся предусмотреть все потенциальные ошибки в проектах. Поэтому, если когда-нибудь возникнет обоснованная потребность в аппаратных средствах поддержки разработок на основе FPSLIC, Atmel разработает и выпустит в свет полноценный аппаратный внутрисхемный эмулятор реального времени.

    Вопрос. Планирует ли Atmel планомерный выпуск и публикацию разнообразных материалов для поддержки FPSLIC? Будут ли издаваться типовые примеры реализации конечных устройств типа Application Notes, ответы на наиболее часто задаваемые вопросы FAQ и так далее?

    Ответ. Прежде всего, это зависит от даты, когда реальные микросхемы FPSLIC будут доступны. Пока что можно использовать уже имеющиеся материалы для AVR и FPGA семейства AT40K, так как микросхемы семейства AT94K будут повыводно совместимы с микросхемами AT40K. В любом случае, Atmel прекрасно понимает, что необходимо сформировать целую инфраструктуру прикладных приложений для многочисленных IP. Это является важной задачей, и Atmel будет постоянно над ней работать.

    Завершая обзор по микросхемам FPSLIC, хотелось бы сказать, что корпорация Atmel умеет разрабатывать и производить как сложные IP-микросхемы, так и микросхемы программируемой логики. Появление FPSLIC позволит фирме занять существующую нишу на рынке между сегментами микроконтроллеров и FPGA. Рынок требует небольших объёмов программируемой логики в сочетании с фиксированным и сложным микропроцессорным ядром. Применение же для построения IP-узла стандартных макрофункций и библиотек зачастую сводит "на нет" все преимущества FPGA. Реализация таким способом даже относительно простого ядра требует большого объёма FPGA, а это прежде всего невыгодно экономически. Именно поэтому три фактора — энергопотребление, цена и производительность — вызвали появление монолитного универсального решения, сохраняющего всю гибкость и преимущества периферии на программируемой логике.

Литература

1. Программируемая система-на-кристалле. Кр. сообщение // Chip News. — 2000. — № 2. — С. 17.
2. Системная интеграция в микроэлектронике — FPSLIC // Chip News. — 2000. — № 3. — С. 4–10.

E-mail: igor@efo.spb.su